CN102305607A - 超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超声波无损探伤技术领域中的一种超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的校准方法。该发明的校准方法基于氧化层的双层结构，分层标定超声波在其中的传播速度，进而校准氧化层厚度。该方法具有坚实的科学依据，能够显著提高锅炉管内壁氧化层厚度超声波测量的精确度。

Description

超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的校准方法

技术领域

本发明属于超声波无损探伤技术领域，尤其涉及一种超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的校准方法。

背景技术

测量锅炉管内壁氧化层厚度，采用高频超声波测厚系统，由高频窄脉冲的高频探头和超声波脉冲发生/接收器组成，可以分辨氧化层/金属基体界面的发射信号，从而测量氧化层厚度。

如果默认超声波在氧化层中传播速度与在管壁金属中传播速度相等，氧化层厚度可以直接从探伤仪上读出，这也是现在常用的方法。也有人对超声波在氧化层中的传播速度进行标定，通过管道割开后，显微镜观察测量厚度，标定超声波在氧化层传播速度。但是通过不同厚度氧化层标定超声波速度，发现氧化层较薄时，声速很小，声速随氧化层厚度增加而增加，标定的声速最大和最小之差约2800米/秒，对氧化层厚度测量造成很大误差。这种标定方法没有区分氧化层的多层结构，超声波在不同层的传播速度是不同的，标定时就会出现上述现象，因此上述标定校准方法从根本上无法适应多层结构的氧化层厚度的准确测量。

锅炉管内壁氧化层厚度可以计算管壁等效运行温度，对锅炉管的寿命管理非常重要，因此一种准确的锅炉管内氧化层测厚校准方法是非常有实用意义的。

发明内容

针对上述背景技术中提到的现有锅炉管内壁氧化层厚度测量结果误差较大的不足，本发明提出了一种超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的校准方法。本发明的技术方案是，超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的校准方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：将探伤仪、高频探头和电脑构成超声波测量系统，将高频探头贴合在锅炉管外壁，调整探伤仪视窗和增益，观察内壁氧化层超声图像，当得到清晰的管壁金属和内氧化层界面回波、内氧化层和外氧化层界面回波以及外氧化层和空气界面回波时，保存图像并发送至电脑；

步骤2：在步骤1获得的图像上分别获得内氧化层和外氧化层厚度的测量值，通过超声波在管壁金属、内氧化层和外氧化层中的不同传播速度对锅炉管内壁氧化层厚度进行校准。

所述探伤仪的型号为Karl Deustch ECHOGRAPH 1090 DAC。

所述高频探头的频率为15兆赫兹。

所述氧化层厚度的计算公式为：

${\mathrm{\δ}}^{\′}={\mathrm{\δ}}_{\mathrm{inner}}\×\frac{C_{L1}}{C_{L0}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{outer}}\×\frac{C_{L2}}{C_{L0}}$

其中：

δ′为校准后的氧化层厚度；

δ_inner为超声波探伤仪直接测量的内氧化层厚度；

δ_outer为超声波探伤仪直接测量的外氧化层厚度；

C_L0为超声波在管壁金属中的传播速度；

C_L1为超声波在内氧化层中的传播速度；

C_L2为超声波在外氧化层的传播速度。

本发明校准方法基于氧化层的双层结构，分层标定超声波在其中的传播速度，进而校准氧化层厚度。该方法具有坚实的科学依据，能够显著提高锅炉管内壁氧化层厚度超声波测量的精确度。

附图说明

图1为锅炉管内壁氧化层厚度超声波测量系统；

图2为超声波在内壁氧化层中传播示意图；

图3为超声波在内壁氧化层传播的回波图像。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

通过对9-12％铬铁马氏体钢(包括P91，P92，P122，HT9)在水蒸汽环境和超临界水环境中氧化过程的研究，发现内壁氧化层具有典型的双层结构，即致密的四氧化二铬铁FeCr₂O₄内氧化层和粗糙多孔的四氧化三铁Fe₃O₄外氧化层。由于这两层结构物质的弹性常数和密度不同，超声波在其中的传播速度是不同的。

超声波纵波在固体里传播速度可以表示为：

$C_L=\sqrt{\frac{\mathrm{\λ}+2u}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

其中：

C_L为超声波纵波传播速度；

λ和u为拉梅常数；

ρ为密度。

表1列出四氧化二铬铁FeCr₂O₄和四氧化三铁Fe₃O₄的拉梅常数、密度，以及超声波在其中的传播速度。

表1 FeCr₂O₄和Fe₃O₄的弹性系数及超声波传播速度

使用Karl Deustch ECHOGRAPH 1090 DAC探伤仪，15兆赫兹的高频探头和一台电脑，构成超声波锅炉内壁氧化层厚度测量系统，如图1所示。由于管壁金属、四氧化二铬铁FeCr₂O₄内氧化层和四氧化三铁Fe₃O₄外氧化层的声阻抗不同，在管道金属/内氧化层界面和内氧化层/外氧化层界面处都会有反射波。超声波在氧化层内传播示意图见图2。调整超声波探伤仪，可以得到超声波的回波，见图3。通过图可以清楚的得到反射波一，反射波二和反射波三，反射波一和反射波二之间的距离为内氧化层厚度，反射波二与反射波三之间的距离为外氧化层厚度。因此就可以通过分别测量内氧化层厚度和外氧化层的厚度，根据不同的超声波传播速度，进行分别校准，然后相加获得整个氧化层厚度。氧化层厚度校准公式如下：

${\mathrm{\δ}}^{\′}={\mathrm{\δ}}_{\mathrm{inner}}\×\frac{C_{L1}}{C_{L0}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{outer}}\×\frac{C_{L2}}{C_{L0}}---\left(2\right)$

其中：

δ′为校准后的氧化层厚度；

δ_inner为超声波探伤仪直接测量的内氧化层厚度；

δ_outer为超声波探伤仪直接测量的外氧化层厚度；

C_L0为超声波在管壁金属中的传播速度；

C_L1为超声波在内氧化层中的传播速度；

C_L2为超声波在外氧化层的传播速度。

C_L1和C_L2的取值见表1，采用公式2实现超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的校准计算。

本发明的步骤为：

1、使用Karl Deustch ECHOGRAPH 1090 DAC探伤仪，15MHz的高频探头和一台笔记本，构成锅炉管内壁氧化层厚度超声波测量系统。设定超声波在管壁金属中的传播速度C_L0(用户可以根据实际应用设定)；

2、将锅炉管外表面处理干净，将高频探头紧密贴合在锅炉管外壁，测量锅炉管内氧化层厚度。移动探伤仪的视窗并调整探伤仪的增益，当观察到清晰的超声波回波图像时，将此图像保存并发送至电脑；

3、超声波回波图像如图3所示，量取反射波一和反射波二之间的距离获得内氧化层厚度的测量值δ_inner，量取反射波二和反射波三之间距离获得外氧化层厚度的测量值δ_outer，然后根据公式2进行修正，获得修正后的氧化层厚度δ′；

表2为采用本校准方法测量的锅炉管内氧化层厚度的两个实例，与扫描电镜观察到的氧化层实际厚度相比，误差较小，相比超声波探伤仪直接测量厚度精度明显提高。该发明校准方法是基于氧化层的双层结构，分层标定超声波在其中的传播速度，进而校准氧化层厚度。该方法具有坚实的科学依据，能够显著提高锅炉管内壁氧化层厚度超声波测量的精确度。

表2锅炉管内壁氧化层厚度超声波测量校准，单位μm

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的校准方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：将探伤仪、高频探头和电脑构成超声波测量系统，将高频探头贴合在锅炉管外壁，调整探伤仪视窗和增益，观察内壁氧化层超声图像，当得到清晰的管壁金属和内氧化层界面回波、内氧化层和外氧化层界面回波以及外氧化层和空气界面回波时，保存图像并发送至电脑；

步骤2：在步骤1获得的图像上分别获得内氧化层和外氧化层厚度的测量值，通过超声波在管壁金属、内氧化层和外氧化层中的不同传播速度对锅炉管内壁氧化层厚度进行校准。

2.根据权利要求1所述超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的校准方法，其特征是所述探伤仪的型号为Karl Deustch ECHOGRAPH 1090 DAC。

3.根据权利要求1所述超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的校准方法，其特征是所述高频探头的频率为15兆赫兹。

4.根据权利要求1所述超声波测量锅炉管内壁氧化层厚度的校准方法，其特征是所述氧化层厚度的计算公式为：

${\mathrm{\δ}}^{\′}={\mathrm{\δ}}_{\mathrm{inner}}\×\frac{C_{L1}}{C_{L0}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{outer}}\×\frac{C_{L2}}{C_{L0}}$

其中：

δ′为校准后的氧化层厚度；

δ_inner为超声波探伤仪直接测量的内氧化层厚度；

δ_outer为超声波探伤仪直接测量的外氧化层厚度；

C_L0为超声波在管壁金属中的传播速度；

C_L1为超声波在内氧化层中的传播速度；

C_L2为超声波在外氧化层的传播速度。

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